深水、动水环境下水工建筑物健康检查技术研究

朱喜

摘 要：隨着水电站运行发电时间的不断累积，其水工建筑物的运维健康检查成了水工巡检人员的重要工作之一，其中深水、动水环境下的水工建筑物的健康检查一直是行业内的技术难题。例如，水电站的底孔门前淤积情况及结构完整情况检查，由于水深往往超过空气潜水极限深度60 m，使用常规的潜水探摸方法无法开展检查工作;水电站的尾水建筑物结构完整性检查，往往因促生产、保发电的原则，难以创造停机的静水环境，潜水员因水流扰动，无法开展水下检查工作。因此急需寻求解决深水、动水环境下的水工建筑物健康检查问题的新方法新技术。本文以构皮滩水电站放空底孔、构皮滩水电站尾水南侧边坡为典型应用场景，研究适用于类似底孔深水、尾水动水环境的水下检查技术，以多波束声呐、扫描声呐、水下无人潜航器等新技术为依托，突破传统水下探摸技术的局限性，为水工建筑物的健康诊断增添新的手段。

关键词：水工建筑物;水下检查;多波束声呐;扫描声呐;水下无人潜航器

中图分类号：TV698.15 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）31-0076-03

Research on Health Inspection Technology of Hydraulic Structures

in Deep Water and Moving Water Environment

ZHU Xi

（Remote Centralized Control Center of Hydropower Station， Guizhou Wujiang Hydropower Development Co.， LTD.， Guiyang Guizhou 550002）

Abstract： With the accumulation of operation time of hydropower station， the operation and maintenance health inspection of hydraulic structures has become one of the more and more important work of hydraulic inspection personnel. Among them， the health inspection of hydraulic structures in deep water and moving water environment has always been a technical problem in the industry. For example， check the siltation and structural integrity in front of the bottom hole of the hydropower station. As the water depth often exceeds the air diving limit of 60m， the conventional diving exploration method cannot carry out the check. Another example is the structural integrity inspection of tailwater buildings in hydropower stations. Due to the principle of promoting production and ensuring power generation， it is often difficult to create a static water environment for stopping. Divers cannot carry out underwater inspection due to the disturbance of water flow. Therefore， it is urgent to seek new methods and technologies to solve the health inspection problems of hydraulic structures in deep water and moving water environment. Based on the empty bottom intake goupitan hydropower station， goupitan hydropower station tail water of the south slope as the typical application scenarios， research is applicable to similar to the bottom hole deep， the tail water dynamic water environment of underwater inspection technology， with multi-beam sonar， scanning sonar， underwater unmanned coupled device and other new technology as the backing， break through the limitations of traditional underwater explored technology， add new means for health diagnosis of hydraulic structures.

Keywords： hydraulic structure;underwater inspection;multi-beam sonar;scanning sonar;underwater drone

构皮滩水电站是国家“十五”计划重点工程、是贵州省实施“西电东送”战略的标志性工程。构皮滩水电站放空底孔布置在大坝3#、4#表孔下方，设1#和2#共2孔。放空底孔进口段各设置1扇挡水门，挡水门孔口尺寸4 m×9.5 m，底坎高程EL.490 m，设计挡水水头140 m，设置2扇闸门。库区水位高程长期在EL.590 m以上，即水深常年大于100 m。构皮滩水电站尾水出口南侧的面板边坡顶部为EL.445 m马道，往下依次为1∶1的面板斜坡、EL.428 m马道、1∶1的面板斜坡、EL.413 m护坦。尾水边坡常年处在水面以下且受尾水的冲蚀淘刷，因此急需引入新方法新技术解决深水、动水水下检查技术难题[1]。而多波束声呐、扫描声呐、水下无人潜航器作为近年来快速发展的新型技术手段，在其他领域已经取得了一定的应用效果。将这三种技术引入构皮滩水电站底孔、尾水边坡检查中，行业内还未见典型案例，本研究为类似环境下的水下检查积累了宝贵经验。

1 方法技术简介

1.1 多波束声呐技术原理

多波束声呐探测系统也称三维扫描声呐系统，近年来广泛应用于海洋探测中，其技术指标也在不断地提升。其最大扫描宽度可达180°，波束数量可达1 024个，波束宽度可达0.5°，因此其探测精度和水下分辨能力也得到了质的提升。通过扫描获取的水下三维点云数据，可实现水下地形、结构的三维重现，达到水下探测、检测、检查的目的[2]。

1.2 扫描声呐技术原理

扫描声呐也称旁扫声呐，是一种主动源探测声呐，通过发射、接收水底声波信号获取水底的声学影像信息，从而获取水底地貌或者水下结构的表观情况信息。其扫测宽度与頻率和水深相关，工作方式有拖曳安装和规定安装两种，是实现水下扫测的一种快速、便捷的新方法[3]。

1.3 水下机器人技术原理

水下无人潜航器（ROV）是可以在水下自由航行的水下机器人，可以突破常规水下检查的距离和深度，通过搭载水下摄像机和水下声呐，完成水下探测和勘察的任务。其系统组成主要有ROV本体、ROV甲板单元、ROV脐带缆单元。根据任务的不同，其搭载的传感器也有所差异，但是普遍都会搭载水下摄像机、水下声呐、压力传感器、磁罗经传感器等，根据特殊任务还会搭载水下三维声呐、水下激光尺度仪、水下贯导等传感器[4]。

2 深水环境下水工建筑物健康检查技术研究与应用

2.1 深水环境水下检查前的准备工作

因检查部位最大水深超过100 m，所以必须采用水下无人潜航器搭载水下摄像头、水下声呐等多种传感器对1#、2#放空底孔挡水闸门结构进行检查，确认闸门门体锈蚀和门前积渣情况，同时对闸门吊杆锈蚀情况进行检查。

为确保水下无人潜航器在100 m水深的高压下仍能正常工作，在正式开展工作前，需进行ROV本体的密封性能检查、通电性能检查、操作功能检查。

2.1.1 密封性检查。使用真空泵将主机内的空气抽出，进行密封性检查。半小时后观察气压泵的读数是否有变化，如无变化则表明主机内部密封正常，无泄漏，可以正常使用。

2.1.2 通电性能检查。按照一定的顺序连接水下潜器单元、甲板控制单元等各个组成部分。将地面控制台放置在水面工作船上的专用工作平台，依次连接脐带缆、地面控制台、电源线、外置记录与监视设备，打开主电源，测试各部分设备通电是否正常。

2.1.3 操作功能检查。通过地面控制单元对水下潜器单元进行摄像头上下移动测试、照明灯测试、罗盘和深度计测试、推进器异物缠绕测试、推进器工作状态测试等。

2.2 技术思路

下放水下机器人沿闸门吊杆下潜，并在下潜过程中对闸门吊杆进行检查，确认闸门吊杆是否存在锈蚀、缺陷等异常现象。水下机器人下潜至放空底孔挡水闸门位置时，对闸门结构进行全方位视频检查。闸门结构为钢板，确认闸门是否存在锈蚀情况，并对闸门底部淤积情况进行检查。完成1#放空底孔挡水闸门区域检查后ROV回至水面区域，移船至2#放空底孔区域，对2#放空底孔挡水闸门吊杆、闸门及闸门区域淤积情况进行检查，方法与1#放空底孔挡水闸门作业方法相同。

2.3 水下检查综合分析

经对构皮滩水电站1#放空底孔和2#放空底孔挡水闸门门体、吊杆锈蚀和门前积渣情况进行检查表明：①1#放空底孔挡水闸门和2#放空底孔挡水闸门本体结构表观未见明显锈蚀现象;②1#放空底孔挡水闸门吊杆和2#放空底孔挡水闸门吊杆有少量油漆开裂的现象，油漆开裂处内部有少量锈蚀，部分吊杆法兰结构周围有轻微生锈现象;③1#放空底孔挡水闸门和2#放空底孔挡水闸门顶部和底部前方存在一定量的淤积物和杂物等混合堆积物，典型成果图见图1。

通过上述水下检查成果可知，水下无人潜航器搭载摄像机、声呐可实现深水环境的水下检查，达到水下检查定性、定量分析的目的。

3 动水环境下水工建筑物健康检查技术研究与应用

3.1 动水环境水下检查前的准备工作

因尾水影响区域水流速较大、水流较紊乱，所以水下多波束声呐和扫描声呐检查均需利用船载的方式开展，以定制冲锋舟为多波束声呐、扫描声呐的载体，安装水下声呐系统水下发射及接收换能器。

3.2 技术思路

构皮滩水电站尾水明渠的多波束声呐扫描成像检查，使用扫描声呐、多波束声呐检查技术联合进行。其中，多波束声呐检查获取水下结构的三维体型信息，扫描声呐检查获取水下结构的声学影像信息，两种方法相互验证开展水下检查工作。

多波束声呐探测系统对尾水明渠进行全覆盖扫测，对边坡扫描时需偏转波束角，旁向测线重叠度大于30%;扫描声呐相邻测线需有30%的重叠度，根据现场水深情况实时调整测线间距，测线需覆盖上一条测线的“水柱”区域。

3.3 水下检查综合分析

经过对多波束声呐和扫描声呐的成果进行精细化处理及分析可知得到以下结论。①尾水明渠EL.445 m马道以下边坡、马道、边坡与马道转角部位、边坡与护坦转角部位、护坦靠近边坡的第一个分缝均未见明显破损、变形等缺陷;局部可见面板分缝，但未见分缝明显的破损情况;水下面板未见明显的鼓包现象。②下基坑公路与边坡的拐角处杂物堆积较多，EL.428 m马道与边坡的拐角处局部可见杂物堆积。典型成果图见图2、图3。

通过上述水下检查成果可知，联合多波束声呐、扫描声呐可实现动水环境的水下检查，多波束声呐获取水工结构的三维体型信息，侧扫声呐获取水工结构的声学影像信息，同样可达到水下检查定性、定量分析的目的。

4 结语

针对深水、动水环境下的水工建筑物健康检查问题，分别在构皮滩水电站的放空底孔和尾水边坡两个场景进行了探索，形成了深水环境下水下无人潜航器的工作技术路线及注意事项，首次提出了在动水环境下联合多波束声呐、扫描声呐进行水下检查的工作方式，最终形成整套深水、动水环境下水下检查解决方案，为水电站水工建筑物的健康提供技术保障。本次研究成果可为类似深水、动水环境下水下检查提供借鉴，具有较强的理论指导意义和广泛的应用价值。

参考文献：

[1]赵后雨.潜水环境暴露对职业潜水员基本认知能力的影响[D].上海：中国人民解放军海军军医大学，2021：58.

[2]刘新华，吴猛.多波束测深系统在海上风电场测量中的应用[J].南方能源建设，2021（3）：51-57.

[3]王晓.侧扫声呐图像精处理及目标识别方法研究[J].测绘学报，2021（2）：282.

[4]张震.基于改进ROV技术的水工建筑物水下检测应用[J].自动化与仪表，2021（9）：40-44.